地理认知理论与模型课件

III地理认知理论与模型1地理认知概念2地理抽象过程3地理认知模型4空间拓扑关系1III地理认知理论与模型1地理认知概念11地理空间认知概念地理空间认知：研究人类如何认知自己赖以生存的地理环境（主要指地球的四大圈层–岩石圈、水圈、大气圈、生物圈），包括位置、分布、关系、变化和规律等。地理空间认知过程：经过地理感知、表象再现、地理记忆和地理思维四个过程，借助图像或者地图（心像地图和认知制图）来实现的。心像地图是人类对地理空间多次感知的基础上（实地考察、地图参考、文献阅读）综合形成的一种印象或者心理表征；认知制图通常发生在人类使用地图的过程中，把新近获得的信息与地图信息综合起来进行决策，如：定位、定向、导航等。21地理空间认知概念地理空间认知：22地理抽象过程OGC九层次抽象尺度世界Dimensionalworld地理空间世界Geospatialworld地理点列point几何特征geometry地理要素feature地理要素集合Featurecollections概念世界Conceptualworld现实世界Realworld项目世界Projectworld感知世界工程世界32地理抽象过程OGC九层次抽象尺度世界地理空间世界地理点ISO-TC211概念模型概念形式概念模式概念模式语言论域现实世界4ISO-TC211概念模型概念形式概念模式概念模式语言三层次模式物理数据模型逻辑数据模型概念模型现实世界地里实体或现象最高层中间层最低层数据世界（机器）概念世界（大脑）设计实现认知、抽象与概念模型化5三层次模式物理数据模型逻辑数据模型概念模型现实世界最高层中间3地理认知模型根据GIS数据组织和处理方式，地理认知模型分为三类：基于对象（OBJECT-BASED）基于域/场(FIELD-BASED)基于网络（NETWORK-BASED）63地理认知模型根据GIS数据组织和处理方式，地理认知模型分3.1面向对象的认知模型1）地理实体的面向对象描述 在一定尺度下，客观存在的地理实体都有其精确的位置、形状，可以同其他相邻的地理实体区别开来。这些地理实体既可以是一座城市，也可以是一片住宅，或者是一间房屋。面向对象的实质就是使用一系列的基本数据来描述这些地理实体，包括：对象的特定属性（空间、时间、非空间属性），对象之间的特定关系（空间、时间、语义）。一般认为，面向对象的地理实体描述方式特别适用于描述地理空间中各种独立存在的地理特征（discretespatialfeatures），适合于那些具有完整边界的地理目标，如：建筑物、街区、道路、行政区划等人文现象、或者湖泊、河流、植被景观等自然现象。73.1面向对象的认知模型1）地理实体的面向对象描述7例如：地理实体的面向对象描述实体标识符空间位置空间关系属性特征功能学校名称地面坐标与另一实体相邻学生数教育铁路编码号一组坐标连接两个城市运输量运营钻孔标识号地面坐标位于某个区域孔径层位蓄水池名称地面坐标与一水管线相接水质水位上表中所列的五种特征可分两大类：空间特征和非空间特征，描述地理实体的数据相应分为空间数据和属性数据。空间数据用来描述地理实体的空间位置和相互关系。对于“地理实体”，了解其定位属性，也就是获取其确切的空间坐标值，要比了解其一般的非定位属性更重要。实际上，实体的许多非定位属性，如长度、面积等都是依附于定位属性的。8例如：地理实体的面向对象描述实体标识符空间位置空间关系属

2）地理实体的几何抽象为了在计算机的抽象空间中，表达复杂的现实世界，在地理信息系统中，地理实体被抽象简化为简单的几何对象(geometricobject)：点对象(Point)线对象(Line)面对象(Polygon)体对象(Volume)92）地理实体的几何抽象9

点对象点对象是有特定位置的维数为零的物体，代表一个点实体(PointEntity)，如城市、村庄、钻孔等。

线对象线对象是维数为1的物体，代表一个线实体(LineEntity)，如河流、边界、道路等。线对象的属性：实体长度-从起点到终点的总长；弯曲度-如道路弯曲的程度；方向性-如水流方向(从上游到下游)，公路方向(单向、双向)等。10点对象10面对象

面状实体包括湖泊、森林、岛屿、地块等，在二维图中表现为多边形。面状实体包括以下空间特性：面积、周长。独立性或与其它地物相邻，如中国及其周边国家等。内岛或锯齿状外形:如岛屿的海岸线封闭所围成的区域等。重叠性与非重叠性:如报纸的销售区域、学校的分区等有可能出现交叉重叠现象，但各个行政区一般是相邻而不出现重叠。11面对象11

体对象一个体对象代表一个空间三维实体，如地层、断层、矿体等。一个三维实体由若干平面或曲面包围组成。体中间若包含“空洞”，则为复杂的体。但体中包含的“空洞”，应作为另一个体对象处理。通过体类主题可将体对象聚合起来。12体对象12

3）地理实体的空间相互关系

现实生活中的实体大多都不是孤立存在的。国道可能和省道相接，河流可能穿过城市，学校可能和工厂为邻。这些地理实体在地理空间中的空间分布关系简称为空间关系。13 3）地理实体的空间相互关系13空间关系的基本类型：拓扑关系、方向关系、度量关系。

拓扑关系描述地理实体之间的相邻、关联、包含等空间关系。

方向关系又称为方位关系、延伸关系，它定义了地物对象之间的方位。

度量关系主要是指空间对象之间的距离关系，可以用欧几里德距离、曼哈顿距离、时间距离等来描述。14空间关系的基本类型：拓扑关系、方向关系、度量关系。143.2面向场的认知模型基于场的认知模型场（Field）是指一类具有共同属性值的地理实体或者地理目标的集合。该模型把地理空间中的事物和现象作为连续的变量或体来看待，例如：大气污染、大气降雨、地表温度、土壤湿度、洋流等。根据问题的不同，场（field）可以二维的、也可以是三维的。153.2面向场的认知模型基于场的认知模型15二维场的描述方法：采样模型（Sampling）通过采集有限个样本点的属性值来表达区域属性的连续变化。根据样本点的分布密度和分布形态，可以采用网格（grid）或者TIN模型进行数据内插，进而模拟区域属性的连续变化。等值线模型（Contour）采用一组等间距的等值线将地理区域划分成一些环状区域。每个区域中的属性值介于相邻的两条等值线的属性值之间，可以沿着等值线的梯度方向进行连续插值求得属性值。图斑模型（piecewise）将一个平面划分成若干个区域，每个区域用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。一个区域可以包含若干个子区域或其他区域，但不能被其他区域分隔，即区域内的任意两点至少存在一条完全包含在本区域内的连接路径。模拟的数学函数可以是一个常数、也可以是一个线性函数、更可以是一个高阶函数。16二维场的描述方法：164空间拓扑关系地理空间的拓扑(Topology)“拓扑”一词在希腊语中是“形状的研究”。拓扑学研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。地图上的拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。地图上的图形的形状、大小会随图形的改变而改变，但各实体之间的邻接关系、关联关系、包含关系则不会改变。故可称拓扑关系是绘在橡皮上的图形关系。拓扑关系是不考虑度量和方向的空间物体之间的空间关系。174空间拓扑关系地理空间的拓扑(Topology)1九交模型DE-9IM

（DimensionallyExtended9IntersectionModel）9IM(EgenhoferandHerring)->DE-9IM(Clementini,etal.)是一种数学方法，定义了两个几何对象之间的空间关系！空间关系的判断，是通过比较两个几何对象之间的坐标（X,Y）实现的，目前仅适用于平面坐标，Z坐标值将被忽略。八种基本空间关系：

Equal，Disjoint，Intersects，TouchOverlap，Cross，Within，Contains18九交模型DE-9IM

（DimensionallyExteDimensionnullornil(-1)point(0),linearstring(1),polygon(2)multipoint(0),multilinearstring(1),multipolygon(2)

高低不同维数的两个几何对象做空间操作，结果几何对象的维数为低维！MinimumdistanceTheminimumdistanceseparatingdisjointfeaturescouldrepresenttheshortestdistanceanaircraftmusttravelbetweentwolocations.Thedistancefunctionreportstheminimumdistanceseparatingtwodisjointfeatures.Ifthefeaturesaren'tdisjointthefunctionwillreportazerominimumdistance.

19Dimension19IntersectionofgeometriesTheintersectionfunctionreturnstheintersectionsetoftwogeometries.Theintersectionsetisalwaysreturnedasacollectionthatistheminimumdimensionofthesourcegeometries.Forexample,foralinestringthatintersectsapolygon,theintersectionfunctionreturnsthatportionofthelinestringcommontotheinteriorandboundaryofthepolygonasamultilinestring.Themultilinestringcontainsmorethanonelinestringifthesourcelinestringintersectedthepolygonwithtwoormorediscontinuoussegments.Ifthegeometriesdonotintersectoriftheintersectionresultsinadimensionlessthanbothsourcegeometries,anemptygeometryisreturned.20Intersectionofgeometries20Differenceofgeometries

ThedifferencefunctionreturnstheportionoftheprimarygeometrythatisntintersectedbythesecondarygeometrythelogicalANDNOTofspace.Thedifferencefunctiononlyoperatesongeometriesoflikedimensionandreturnsacollectionthathasthesamedimensionasthesourcegeometries.Intheeventthatthesourcegeometriesareequal,anemptygeometryisreturned.

21Differenceofgeometries21SymmetricdifferenceofgeometriesThesymmetricdifffunctionreturnsthesymmetricdifferenceoftwogeometriesthelogicalXORofspace.Thesourcegeometriesmusthavethesamedimension.Ifthegeometriesareequal,thesymmetricdifffunctionreturnsanemptygeometry;otherwise,thefunctionreturnstheresultasacollection.22SymmetricdifferenceofgeometGivengeometriesaandb,I(a),B(a),andE(a)representtheinterior,boundary,andexteriorofa,andI(b),B(b),andE(b)representtheinterior,boundary,andexteriorofb.TheintersectionsofI(a),B(a),andE(a)withI(b),B(b),andE(b)producesa3-by-3matrix.

Interior

Boundary

ExteriorInterior

dim(I(a)∩I(b))

dim(I(a)∩B(b))

dim(I(a)∩E(b))Boundary

dim(B(a)∩I(b))

dim(B(a)∩B(b))

dim(B(a)∩E(b))Exterior

dim(E(a)∩I(b))

dim(E(a)∩B(b))

dim(E(a)∩E(b))DE-9IM模型中，每类空间关系都有着其特定的矩阵组合（matrixpattern)

T-Anintersectionmustexist;dim=0,1,or2.

F-Anintersectionmustnotexist;dim=-1.

*-Itdoesnotmatterifanintersectionexistsornot.

0-Anintersectionmustexistanditsmaximumdimensionmustbe01-Anintersectionmustexistanditsmaximumdimensionmustbe1.

2-Anintersectionmustexistanditsmaximumdimensionmustbe2.23Givengeometriesaandb,I(binteriorboundaryexteriorainteriorT*Fboundary**FexteriorFF*Equal24binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorFF*boundaryFF*exterior***Disjoint25binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorTT*boundaryTT*exterior***Intersects26binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorFT*boundaryTT*exterior***Touch27binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorT*Tboundary***exteriorT**Overlapbinteriorboundaryexteriorainterior1*Tboundary***exteriorT**28binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorT*Tboundary***exterior***binteriorboundaryexteriorainterior0**boundary***exterior***Cross29binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorT*Fboundary**Fexterior***Within30binteriorboundaryexteriorinterbinteriorboundaryexteriorainteriorT**boundary***exteriorFF*Contains31binteriorboundaryexteriorinterIII地理认知理论与模型1地理认知概念2地理抽象过程3地理认知模型4空间拓扑关系32III地理认知理论与模型1地理认知概念11地理空间认知概念地理空间认知：研究人类如何认知自己赖以生存的地理环境（主要指地球的四大圈层–岩石圈、水圈、大气圈、生物圈），包括位置、分布、关系、变化和规律等。地理空间认知过程：经过地理感知、表象再现、地理记忆和地理思维四个过程，借助图像或者地图（心像地图和认知制图）来实现的。心像地图是人类对地理空间多次感知的基础上（实地考察、地图参考、文献阅读）综合形成的一种印象或者心理表征；认知制图通常发生在人类使用地图的过程中，把新近获得的信息与地图信息综合起来进行决策，如：定位、定向、导航等。331地理空间认知概念地理空间认知：22地理抽象过程OGC九层次抽象尺度世界Dimensionalworld地理空间世界Geospatialworld地理点列point几何特征geometry地理要素feature地理要素集合Featurecollections概念世界Conceptualworld现实世界Realworld项目世界Projectworld感知世界工程世界342地理抽象过程OGC九层次抽象尺度世界地理空间世界地理点ISO-TC211概念模型概念形式概念模式概念模式语言论域现实世界35ISO-TC211概念模型概念形式概念模式概念模式语言三层次模式物理数据模型逻辑数据模型概念模型现实世界地里实体或现象最高层中间层最低层数据世界（机器）概念世界（大脑）设计实现认知、抽象与概念模型化36三层次模式物理数据模型逻辑数据模型概念模型现实世界最高层中间3地理认知模型根据GIS数据组织和处理方式，地理认知模型分为三类：基于对象（OBJECT-BASED）基于域/场(FIELD-BASED)基于网络（NETWORK-BASED）373地理认知模型根据GIS数据组织和处理方式，地理认知模型分3.1面向对象的认知模型1）地理实体的面向对象描述 在一定尺度下，客观存在的地理实体都有其精确的位置、形状，可以同其他相邻的地理实体区别开来。这些地理实体既可以是一座城市，也可以是一片住宅，或者是一间房屋。面向对象的实质就是使用一系列的基本数据来描述这些地理实体，包括：对象的特定属性（空间、时间、非空间属性），对象之间的特定关系（空间、时间、语义）。一般认为，面向对象的地理实体描述方式特别适用于描述地理空间中各种独立存在的地理特征（discretespatialfeatures），适合于那些具有完整边界的地理目标，如：建筑物、街区、道路、行政区划等人文现象、或者湖泊、河流、植被景观等自然现象。383.1面向对象的认知模型1）地理实体的面向对象描述7例如：地理实体的面向对象描述实体标识符空间位置空间关系属性特征功能学校名称地面坐标与另一实体相邻学生数教育铁路编码号一组坐标连接两个城市运输量运营钻孔标识号地面坐标位于某个区域孔径层位蓄水池名称地面坐标与一水管线相接水质水位上表中所列的五种特征可分两大类：空间特征和非空间特征，描述地理实体的数据相应分为空间数据和属性数据。空间数据用来描述地理实体的空间位置和相互关系。对于“地理实体”，了解其定位属性，也就是获取其确切的空间坐标值，要比了解其一般的非定位属性更重要。实际上，实体的许多非定位属性，如长度、面积等都是依附于定位属性的。39例如：地理实体的面向对象描述实体标识符空间位置空间关系属

2）地理实体的几何抽象为了在计算机的抽象空间中，表达复杂的现实世界，在地理信息系统中，地理实体被抽象简化为简单的几何对象(geometricobject)：点对象(Point)线对象(Line)面对象(Polygon)体对象(Volume)402）地理实体的几何抽象9

点对象点对象是有特定位置的维数为零的物体，代表一个点实体(PointEntity)，如城市、村庄、钻孔等。

线对象线对象是维数为1的物体，代表一个线实体(LineEntity)，如河流、边界、道路等。线对象的属性：实体长度-从起点到终点的总长；弯曲度-如道路弯曲的程度；方向性-如水流方向(从上游到下游)，公路方向(单向、双向)等。41点对象10面对象

面状实体包括湖泊、森林、岛屿、地块等，在二维图中表现为多边形。面状实体包括以下空间特性：面积、周长。独立性或与其它地物相邻，如中国及其周边国家等。内岛或锯齿状外形:如岛屿的海岸线封闭所围成的区域等。重叠性与非重叠性:如报纸的销售区域、学校的分区等有可能出现交叉重叠现象，但各个行政区一般是相邻而不出现重叠。42面对象11

体对象一个体对象代表一个空间三维实体，如地层、断层、矿体等。一个三维实体由若干平面或曲面包围组成。体中间若包含“空洞”，则为复杂的体。但体中包含的“空洞”，应作为另一个体对象处理。通过体类主题可将体对象聚合起来。43体对象12

3）地理实体的空间相互关系

现实生活中的实体大多都不是孤立存在的。国道可能和省道相接，河流可能穿过城市，学校可能和工厂为邻。这些地理实体在地理空间中的空间分布关系简称为空间关系。44 3）地理实体的空间相互关系13空间关系的基本类型：拓扑关系、方向关系、度量关系。

拓扑关系描述地理实体之间的相邻、关联、包含等空间关系。

方向关系又称为方位关系、延伸关系，它定义了地物对象之间的方位。

度量关系主要是指空间对象之间的距离关系，可以用欧几里德距离、曼哈顿距离、时间距离等来描述。45空间关系的基本类型：拓扑关系、方向关系、度量关系。143.2面向场的认知模型基于场的认知模型场（Field）是指一类具有共同属性值的地理实体或者地理目标的集合。该模型把地理空间中的事物和现象作为连续的变量或体来看待，例如：大气污染、大气降雨、地表温度、土壤湿度、洋流等。根据问题的不同，场（field）可以二维的、也可以是三维的。463.2面向场的认知模型基于场的认知模型15二维场的描述方法：采样模型（Sampling）通过采集有限个样本点的属性值来表达区域属性的连续变化。根据样本点的分布密度和分布形态，可以采用网格（grid）或者TIN模型进行数据内插，进而模拟区域属性的连续变化。等值线模型（Contour）采用一组等间距的等值线将地理区域划分成一些环状区域。每个区域中的属性值介于相邻的两条等值线的属性值之间，可以沿着等值线的梯度方向进行连续插值求得属性值。图斑模型（piecewise）将一个平面划分成若干个区域，每个区域用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。一个区域可以包含若干个子区域或其他区域，但不能被其他区域分隔，即区域内的任意两点至少存在一条完全包含在本区域内的连接路径。模拟的数学函数可以是一个常数、也可以是一个线性函数、更可以是一个高阶函数。47二维场的描述方法：164空间拓扑关系地理空间的拓扑(Topology)“拓扑”一词在希腊语中是“形状的研究”。拓扑学研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。地图上的拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。地图上的图形的形状、大小会随图形的改变而改变，但各实体之间的邻接关系、关联关系、包含关系则不会改变。故可称拓扑关系是绘在橡皮上的图形关系。拓扑关系是不考虑度量和方向的空间物体之间的空间关系。484空间拓扑关系地理空间的拓扑(Topology)1九交模型DE-9IM

（DimensionallyExtended9IntersectionModel）9IM(EgenhoferandHerring)->DE-9IM(Clementini,etal.)是一种数学方法，定义了两个几何对象之间的空间关系！空间关系的判断，是通过比较两个几何对象之间的坐标（X,Y）实现的，目前仅适用于平面坐标，Z坐标值将被忽略。八种基本空间关系：

Equal，Disjoint，Intersects，TouchOverlap，Cross，Within，Contains49九交模型DE-9IM

（DimensionallyExteDimensionnullornil(-1)point(0),linearstring(1),polygon(2)multipoint(0),multilinearstring(1),multipolygon(2)

高低不同维数的两个几何对象做空间操作，结果几何对象的维数为低维！MinimumdistanceTheminimumdistanceseparatingdisjointfeaturescouldrepresenttheshortestdistanceanaircraftmusttravelbetweentwolocations.Thedistancefunctionreportstheminimumdistanceseparatingtwodisjointfeatures.Ifthefeaturesaren'tdisjointthefunctionwillreportazerominimumdistance.

50Dimension19IntersectionofgeometriesTheintersectionfunctionreturnstheintersectionsetoftwogeometries.Theintersectionsetisalwaysreturnedasacollectionthatistheminimumdimensionofthesourcegeometries.Forexample,foralinestringthatintersectsapolygon,theintersectionfunctionreturnsthatportionofthelinestringcommontotheinteriorandboundaryofthepolygonasamultilinestring.Themultilinestringcontainsmorethanonelinestringifthesourcelinestringintersectedthepolygonwithtwoormorediscontinuoussegments.Ifthegeometriesdonotintersectoriftheintersectionresultsinadimensionlessthanbothsourcegeometries,anemptygeometryisreturned.51Intersectionofgeometries20Differenceofgeometries

ThedifferencefunctionreturnstheportionoftheprimarygeometrythatisntintersectedbythesecondarygeometrythelogicalANDNOTofspace.Thedifferencefunctiononlyoperatesongeometriesoflikedimensionandreturnsacollectionthathasthesamedimensionasthesourcegeometries.Intheeventthatthesourcegeometriesareequal,anemptygeometryisreturned.

52Differenceofgeometries21SymmetricdifferenceofgeometriesThesymmetricdifffunctionreturnsthesymmetricdifferenceoftwogeometriesthelogicalXORofspace.Thesourcegeometriesmusthavethesamedimension.Ifthegeometriesareequal,thesymmetricdifffunctionreturnsanemptygeometry;otherwise,thefunctionreturnstheresultasacollection.53SymmetricdifferenceofgeometGivengeometriesaandb,I(a),B(a),andE(a)representtheinterior,boundary,andexteriorofa,andI(b),B(b),andE(b)representtheinterior,boundary,andexteriorofb.TheintersectionsofI(a),B(a),andE(a)withI(b),B(b),andE(b)producesa3-by-3matrix.

Interior

Boundary

ExteriorInterior

dim(I(a)∩I(b))

dim(I(a)∩B(b))

dim(I(a)∩E(b))Boundary

dim(B(a)∩I(b))

dim(B(a)∩B(b))

dim(B(a)∩E(b))Exterior